(57)【要約】【課題】  インピーダンスの不整合により生じた反射を吸収すると共に、信号の減衰量を抑制することが可能な伝送線路を提供する。【解決手段】  コネクタが実装されるコネクタ実装領域外で、配線部（Ｂ）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線部（Ｂ）の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線パターンと、配線部（Ｂ'）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線部（Ｂ'）の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線パターンと、を形成する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線幅がテーパー状に変化した配線が複数形成されてなる伝送線路であって、
配線領域を確保することが困難な配線領域外で、
前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、
前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、が形成されてなることを特徴とする伝送線路。
【請求項２】
配線領域を確保することが困難な配線領域では、配線の配線幅を細く、且つ、配線の特性インピーダンスを所定の値に合わせて設計した配線が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の伝送線路。
【請求項３】
配線領域を確保することが容易な配線領域では、配線幅を太く設計した配線が形成されてなることを特徴とする請求項１または２記載の伝送線路。
【請求項４】
前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、前記配線領域を確保することが困難な配線領域に形成された配線から、前記配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線に対して形成され、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、前記配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線から、前記配線領域を確保することが困難な配線領域に形成された配線に対して形成されてなることを特徴とする請求項３記載の伝送線路。
【請求項５】
前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、入力端子側に形成され、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、出力端子側に形成されてなることを特徴とする請求項１または４記載の伝送線路。
【請求項６】
配線と配線との間の電磁気的結合が弱くなるように設計した配線が形成されてなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の伝送線路。
【請求項７】
前記配線領域を確保することが困難な配線領域にはコネクタが設けられてなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の伝送線路。
【請求項８】
前記配線により、差動信号線が形成されてなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の伝送線路。
【請求項９】
前記伝送線路は、マイクロストリップ線路であり、
前記伝送線路は、
ＧＮＤ層と、
前記ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、
前記配線が形成されてなる配線層と、
を有し、前記配線層は、前記絶縁層上に積層されてなることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の伝送線路。
【請求項１０】
前記伝送線路は、ストリップ線路であり、
前記伝送線路は、
ＧＮＤ層と、
前記ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、
前記配線が形成されてなる配線層と、
を有し、前記配線層は、前記絶縁層に埋設されてなることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の伝送線路。
【請求項１１】
前記配線の配線幅と、配線と配線との配線間隔と、前記配線層の層厚と、前記絶縁層の層厚と、前記絶縁層の比誘電率と、を基に、前記配線の特性インピーダンスの最適化を図った配線が形成されてなることを特徴とする請求項９または１０記載の伝送線路。
【請求項１２】
配線幅がテーパー状に変化した配線をプリント基板上に形成する配線形成方法であって、
配線領域を確保することが困難な配線領域外で、
前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、
前記配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、を前記プリント基板上に形成することを特徴とする配線形成方法。
【請求項１３】
配線領域を確保することが困難な配線領域では、配線の配線幅を細く、且つ、配線の特性インピーダンスを所定の値に合わせて設計した配線を前記プリント基板上に形成することを特徴とする請求項１２記載の配線形成方法。
【請求項１４】
配線領域を確保することが容易な配線領域では、配線幅を太く設計した配線を前記プリント基板上に形成することを特徴とする請求項１２または１３記載の配線形成方法。
【請求項１５】
前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、前記配線領域を確保することが困難な配線領域に形成する配線から、前記配線領域を確保することが容易な配線領域に形成する配線に対して形成し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、前記配線領域を確保することが容易な配線領域に形成する配線から、前記配線領域を確保することが困難な配線領域に形成する配線に対して形成することを特徴とする請求項１４記載の配線形成方法。
【請求項１６】
前記配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、前記プリント基板の入力端子側に形成し、前記配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、前記プリント基板の出力端子側に形成することを特徴とする請求項１２または１５記載の配線形成方法。
【請求項１７】
配線と配線との間の電磁気的結合が弱くなるように設計した前記配線を前記プリント基板上に形成することを特徴とする請求項１２から１６の何れか１項に記載の配線形成方法。
【請求項１８】
前記配線により、差動信号線が前記プリント基板上に形成されることを特徴とする請求項１２から１７の何れか１項に記載の配線形成方法。
【請求項１９】
前記配線を前記プリント基板上に形成することでマイクロストリップ線路を構成し、
前記マイクロストリップ線路は、
ＧＮＤ層と、
前記ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、
前記配線が形成されてなる配線層と、からなり、
前記配線層は、前記絶縁層上に積層されてなることを特徴とする請求項１２から１８の何れか１項に記載の配線形成方法。
【請求項２０】
前記配線を前記プリント基板上に形成することでストリップ線路を構成し、
前記ストリップ線路は、
ＧＮＤ層と、
前記ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、
前記配線が形成されてなる配線層と、からなり、
前記配線層は、前記絶縁層に埋設されてなることを特徴とする請求項１２から１８の何れか１項に記載の配線形成方法。
【請求項２１】
前記配線の配線幅と、配線と配線との配線間隔と、前記配線層の層厚と、前記絶縁層の層厚と、前記絶縁層の比誘電率と、を基に、前記配線の特性インピーダンスの最適化を図った配線を前記プリント基板上に形成することを特徴とする請求項１９または２０記載の配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速バックプレーン伝送に適用可能な伝送線路、及び、その伝送線路の配線を形成する配線形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの急速な普及により、ＩＰネットワークを流れるデータ量が年々増大している。この膨大なデータ量を処理するためにＩＰスイッチルータ内部では高速な信号処理が行われている。以下、図１を参照しながら、ＩＰスイッチルータの概略構成について説明する。
【０００３】
図１に示すように、ＩＰスイッチの筐体内には、回線カード（１）、スイッチカード（２）などが収容されており、これらはバックプレーン（３）を介して電気的な接続がなされている。
【０００４】
外部からの回線信号は、光や電気で回線カード（１）に入り、スイッチカード（２）で経路を切り替え、別の回線カード（２）から外部に回線信号を転送することになる。
【０００５】
ＩＰスイッチルータ内部では、回線カード（１）とスイッチカード（２）との間をバックプレーン（３）を介して信号が転送されるため、回線速度が速いほど、高速なバックプレーン伝送を行う必要がある。
【０００６】
なお、通信機器やサーバー等のバックプレーン伝送は、高速・高密度化の一途を辿っており、バックプレーンを接続するコネクタ端子も高密度になってきている。このような高密度のコネクタ端子間に配線を接続しようと試みると配線幅が細くなり、配線幅を広げられないという懸念材料がある。なお、図２に、配線幅の違いによる信号の減衰量を示す。なお、横軸は、周波数を示し、縦軸は、減衰量を示す。
【０００７】
図２に示す測定結果からも明らかなように、配線幅０．２４ｍｍの方が、配線幅０．１２ｍｍの方よりも信号の減衰量が小さいことが示されている。従って、図２に示すように、配線幅が小さくなるにつれて信号の減衰量が大きくなり、長距離伝送を行うことが困難となる。
【０００８】
なお、ＧＨｚを超えるような高速伝送では、配線パターンの誘電体損失、導体損失等の原因で信号が減衰するという問題が一般的に知られている。誘電体損失は、プリント基板を低損失基板にすることで改善することが可能となり、導体損失は、伝送線路を構成する配線パターンの配線幅を広げることで改善することが可能となる。従って、長距離伝送を行うためには、信号の減衰量を抑制するために、配線幅をできるだけ広く設計することになる。
【０００９】
なお、本発明より先に出願された技術文献として、線路の幅がテーパー状に変化する伝送線路において、中央導体と、この中央導体の両端にギャップを介して形成された２つのグランドとを備え、中央導体のテーパー部分の縁の形状を微分可能な曲線の形状とし、テーパー部分での高周波数信号の反射を低減し、特性インピーダンスを一定に保持することが可能な伝送線路が開示された文献がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
また、半導体チップと、このチップと電気的に接続された第１の幅部分及び外部に信号を導出する前記第１の幅部分より大なる第２の幅部分更には前記第１の幅から前記第２の幅までの両幅間に設けられたテーパ形状部分を有する端子とを設け、半導体パッケージ内における特性インピーダンスの不整合によって生じる反射を低減することが開示された文献がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
また、高速伝送を実現するためのプリント基板の伝送線路設計について開示された文献がある（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１６３５１０号公報
【特許文献２】特開平４−３６７２５８号公報
【非特許文献１】柏倉  和弘，他３名，“ＩＰスイッチルータの高速伝送技術”，ＮＥＣ技報VOL.55 No.10 P55-58
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
なお、上記特許文献１の発明は、線路の幅がテーパー状に変化する伝送線路に関するものであるが、特許文献１の発明は、伝送線路の全領域で全てのインピーダンスが等しいことが前提となる発明であることから、インピーダンスの不整合を積極的に利用し、インピーダンスの変化を滑らかにすることについては何ら考慮されたものではない。
【００１３】
また、上記特許文献２の発明は、特性インピーダンスの不整合をインピーダンス勾配で吸収しようとしている発明であるが、伝送線路における信号の減衰特性については何ら考慮されたものではない。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、インピーダンスの不整合により生じた反射を吸収すると共に、信号の減衰量を抑制することが可能な伝送線路及び配線形成方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有することとする。
【００１６】
本発明にかかる伝送線路は、配線幅がテーパー状に変化した配線が複数形成されてなる伝送線路であって、配線領域を確保することが困難な配線領域外で、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線領域を確保することが困難な配線領域では、配線の配線幅を細く、且つ、配線の特性インピーダンスを所定の値に合わせて設計した配線が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線領域を確保することが容易な配線領域では、配線幅を太く設計した配線が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明にかかる伝送線路において、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、配線領域を確保することが困難な配線領域に形成された配線から、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線に対して形成され、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線から、配線領域を確保することが困難な配線領域に形成された配線に対して形成されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、入力端子側に形成され、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、出力端子側に形成されてなることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線と配線との間の電磁気的結合が弱くなるように設計した配線が形成されてなることを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線領域を確保することが困難な配線領域にはコネクタが設けられてなることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線により、差動信号線が形成されてなることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明にかかる伝送線路は、マイクロストリップ線路であり、伝送線路は、ＧＮＤ層と、ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、配線が形成されてなる配線層と、を有し、配線層は、絶縁層上に積層されてなることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明にかかる伝送線路は、ストリップ線路であり、伝送線路は、ＧＮＤ層と、ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、配線が形成されてなる配線層と、を有し、配線層は、絶縁層に埋設されてなることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明にかかる伝送線路は、配線の配線幅と、配線と配線との配線間隔と、配線層の層厚と、絶縁層の層厚と、絶縁層の比誘電率と、を基に、配線の特性インピーダンスの最適化を図った配線が形成されてなることを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線幅がテーパー状に変化した配線をプリント基板上に形成する配線形成方法であって、配線領域を確保することが困難な配線領域外で、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、をプリント基板上に形成することを特徴とするものである。
【００２８】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線領域を確保することが困難な配線領域では、配線の配線幅を細く、且つ、配線の特性インピーダンスを所定の値に合わせて設計した配線をプリント基板上に形成することを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線領域を確保することが容易な配線領域では、配線幅を太く設計した配線をプリント基板上に形成することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明にかかる配線形成方法において、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、配線領域を確保することが困難な配線領域に形成する配線から、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成する配線に対して形成し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成する配線から、配線領域を確保することが困難な配線領域に形成する配線に対して形成することを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明にかかる配線形成方法において、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線は、プリント基板の入力端子側に形成し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線は、プリント基板の出力端子側に形成することを特徴とするものである。
【００３２】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線と配線との間の電磁気的結合が弱くなるように設計した配線をプリント基板上に形成することを特徴とするものである。
【００３３】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線により、差動信号線がプリント基板上に形成されることを特徴とするものである。
【００３４】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線をプリント基板上に形成することでマイクロストリップ線路を構成し、マイクロストリップ線路は、ＧＮＤ層と、ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、配線が形成されてなる配線層と、からなり、配線層は、絶縁層上に積層されてなることを特徴とするものである。
【００３５】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線をプリント基板上に形成することでストリップ線路を構成し、ストリップ線路は、ＧＮＤ層と、ＧＮＤ層上に積層される絶縁層と、配線が形成されてなる配線層と、からなり、配線層は、絶縁層に埋設されてなることを特徴とするものである。
【００３６】
また、本発明にかかる配線形成方法は、配線の配線幅と、配線と配線との配線間隔と、配線層の層厚と、絶縁層の層厚と、絶縁層の比誘電率と、を基に、配線の特性インピーダンスの最適化を図った配線をプリント基板上に形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３７】
本発明にかかる伝送線路及び配線形成方法は、配線領域を確保することが困難な配線領域外で、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線と、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線と、を形成することを特徴とするものである。これにより、インピーダンスの不整合により生じた反射を吸収すると共に、信号の減衰量を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
まず、図３を参照しながら、本実施形態における伝送線路について説明する。なお、図３は、本実施形態における伝送線路の構成例を示す。
【００３９】
本実施形態における伝送線路は、図３に示すように、コネクタが実装され配線領域を確保することが困難なコネクタ実装領域外で、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるような形状の配線部（Ｂ）をプリント基板に設け、配線の特性インピーダンスを段階的に低くなるようにしたことを特徴とするものである。
【００４０】
図３に示すように、コネクタ実装用のビア（１０）が密集するコネクタ実装領域に形成する配線部（Ａ）は、配線の配線幅を細く設計することになる。その際、配線の特性インピーダンスが所望のインピーダンス（一般には、シングルエンドで５０Ω、ディファレンシャルで１００Ω）となるように設計する。
【００４１】
また、コネクタ実装用のビア（１０）がない領域に形成する配線部（Ｃ）は、信号の減衰量が小さくなるように配線の配線幅を広く設計することになる。配線幅を広く設計することで、図２に示すように、信号の減衰量を小さくすることが可能となる。但し、配線幅を広く設計した場合、配線の特性インピーダンスが低下することになり、信号を導通する際に、反射の影響で波形が劣化することになる。
【００４２】
なお、配線部（Ａ）と、配線部（Ｃ）との２つの異なる特性インピーダンスの配線部を接続する異種配線接続方法の場合は、図４に示すグラフ図のように、受端部の波形が階段形状となる。なお、図４のグラフ図は、２つの異なる特性インピーダンスの配線部Ｚ0、Ｚtを接続した場合のパルス応答を示す。
【００４３】
２つの異なる特性インピーダンスを持つ配線部が隣接した場合、例えば、特性インピーダンスＺ1、Ｚ2の配線部が隣接し、Ｚ1からＺ2へパルスが進行する場合の反射係数ｒは、以下の式（１）により算出される。
【００４４】
ｒ＝（Ｚ2−Ｚ1）／（Ｚ2＋Ｚ1）・・・式（１）
【００４５】
式（１）から明らかなように、Ｚ1とＺ2との値が極めて近い場合には、反射が発生せず、ほぼ全てのパルスの振幅が透過できることになる。すなわち、図３に示す配線部（Ａ）と、配線部（Ｃ）と、の間で特性インピーダンスが段階的に変化するように、配線部（Ａ）と、配線部（Ｃ）と、の間を、特性インピーダンスの勾配を持たせた配線部（Ｂ）で接続することでほぼ全てのパルスを透過させることが可能となる。
【００４６】
従って、本実施形態における伝送線路は、特性インピーダンスの勾配を持たせるように設計された配線部（Ｂ）を用いて、配線部（Ａ）と配線部（Ｃ）との間を接続することで、ほぼ全てのパルスの振幅を配線部（Ａ）から配線部（Ｂ）を介して配線部（Ｃ）に伝播させることが可能となる。なお、図３に示す配線部の形状にて形成した伝送線路を簡易モデル化し、シミュレーションした場合の波形を図５に示す。図４と図５とに示すグラフ図の波形を比較すると、図５に示す波形は、受端部のパルスの立ち上がりでパルスの最大振幅を得られることが判明する。
【００４７】
なお、本実施形態における伝送線路は、コネクタ端子からの信号を、プリント基板を介して他のコネクタ端子に接続することになるが、図３に示す差動伝送線路の配線パターンは、一方のコネクタ端子のみの配線パターンを示している。このため、本実施形態における伝送線路は、図３に示す差動伝送線路の配線パターンの右端側に、図３に示す差動伝送線路の配線パターンを線対称に接続した状態の配線パターンとなり、図６に示す配線パターンの差動伝送線路を構成することになる。
【００４８】
このため、本実施形態における伝送線路は、図６に示すように、配線部（Ｂ、Ｂ'）の配線の配線幅がテーパー状に変化して形成されてなる伝送線路であり、コネクタが実装されるコネクタ実装領域外で、配線部（Ｂ）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線部（Ｂ）の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線パターンと、配線部（Ｂ'）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線部（Ｂ'）の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線パターンと、を形成することを特徴とするものである。
【００４９】
このように、本実施形態における伝送線路は、配線領域を確保することが困難なコネクタが実装されたコネクタ実装領域に形成された配線部（Ａ）と、配線領域を確保することが容易なコネクタ実装領域外に形成された配線部（Ｃ）と、の間では、配線部（Ｂ）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線部（Ｂ）の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線パターンを形成し、配線領域を確保することが容易なコネクタ実装領域外に形成された配線部（Ｃ'）と、配線領域を確保することが困難なコネクタ実装領域に形成された配線部（Ａ'）と、の間では、配線部（Ｂ'）の配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線部（Ｂ'）の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線パターンを形成することで、インピーダンスの不整合により生じた信号の反射を吸収すると共に、信号の減衰量を抑制し、良好な波形伝送を行うことが可能となる伝送線路を構築することが可能となる。以下、添付図面を参照しながら、本実施形態における伝送線路について説明する。なお、本実施形態における伝送線路は、高速バックプレーン伝送を実現するものである。
【００５０】
（伝送線路の構成）
まず、図３を参照しながら、本実施形態の伝送線路の構成について説明する。なお、図３は、差動伝送線路の配線パターンの一例を示す。
【００５１】
本実施形態における伝送線路は、図３に示すように、プリント基板のある層に銅箔が一面に形成されたＧＮＤ層（２０）と、ＧＮＤ層（２０）とは別の層に線状の銅パターンが形成された配線層（３０）と、を有して構成される。
【００５２】
本実施形態における伝送線路は、このＧＮＤ層（２０）と配線層（３０）とで、マイクロストリップ線路またはストリップ線路を構成することになる。なお、配線層（３０）は、図３に示すように、差動配線パターンを形成し、差動信号線を構成することになる。
【００５３】
また、本実施形態における伝送線路は、コネクタを実装するためのビア（１０）がプリント基板に設けられており、ビア（１０）の周囲には、円形状の銅パターンが形成されたランド（１２）が設けられ、そのランド（１２）の周囲には、ＧＮＤ層（２０）と絶縁するためのクリアランス（アンチバッド）（１１）が設けられている。本実施形態における伝送線路は、マイクロストリップ線路やストリップ線路を構成するため、クリアランス（アンチバッド）（１１）上には配線層（３０）を設けることはできない構成となっている。
【００５４】
なお、本実施形態における伝送線路は、コネクタ端子からの信号を、プリント基板を介して他のコネクタ端子に接続することになるが、図３に示す差動伝送線路の配線パターンは、一方のコネクタ端子のみの配線パターンを示している。なお、他方の配線パターンについては、この図３に示す差動伝送線路の配線パターンの右端に、図３に示す差動伝送線路の配線パターンを線対称に接続した状態の配線パターンとなり、図６に示す配線パターンの差動伝送線路を構成することになる。
【００５５】
従って、本実施形態における伝送線路は、図６に示すように、配線幅（Ｂ、Ｂ'）がテーパー状に変化した配線が複数形成されてなる伝送線路であり、配線領域を確保することが困難な配線領域外で、入力端子側では、配線領域を確保することが困難なコネクタ実装領域に形成された配線部（Ａ）から、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線部（Ｃ）に対し、配線部（Ｂ）の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に低減させた配線部（Ｂ）が形成されることになり、出力端子側では、配線領域を確保することが容易な配線領域に形成された配線部（Ｃ'）から、配線領域を確保することが困難なコネクタ実装領域に形成された配線部（Ａ'）に対し、配線の配線幅、及び、配線と配線との配線間隔を段階的に狭めるように設計し、配線の特性インピーダンスを段階的に増幅させた配線部（Ｂ'）が形成されることになる。
【００５６】
なお、図３、図６示す差動伝送線路の配線パターンは、３つの部分から構成され、配線部（Ａ、Ａ'）と、配線部（Ｂ、Ｂ'）と、配線部（Ｃ、Ｃ'）と、から構成される。図３、図６に示す配線パターンは、コネクタが実装されるコネクタ実装領域のビア（１０）の周囲から形成される２本の配線により差動信号線を構成することになる。なお、図６に示す差動伝送線路の構成は、図３に示す差動伝送線路の構成を線対称に接続した状態の構成であるため、以下は、図３を参照しながら、本実施形態における差動伝送線路の構成について説明する。
【００５７】
配線部（Ａ）は、コネクタが実装されるコネクタ実装領域内に形成される配線パターンであり、コネクタの間隔やクリアランス（アンチバッド）（１１）の形状を考慮し、配線の配線幅を細く設計して形成することになる。なお、２本の配線間の電磁気的結合は弱くしておき、理想的には、配線部（Ａ）の特性インピーダンスは、所望のインピーダンスになっているものとする（例えば、シングルエンドでの特性インピーダンスをＺ0とすると、ディファレンシャルで２・Ｚ0となる伝送線路が理想である。通常、シングルエンドで５０Ω、ディファレンシャルで１００Ω）。
【００５８】
なお、上記の条件を満たす所望のインピーダンスにするためには、後述する２配線間の配線幅、配線間隔、絶縁体の厚さ等の条件を基に算出することが可能となるため、限られた領域で出来るだけ配線の配線幅が広く、尚且つ、配線の配線間隔が離れている伝送線路を構築する必要がある。
【００５９】
配線部（Ｃ）は、コネクタ実装領域から開放されたコネクタ実装領域外に形成される配線パターンであり、このコネクタ実装領域外では、任意に配線幅を決めることが可能となる。従って、配線部（Ｃ）は、配線の配線幅を広く設計し、導体抵抗を小さくし、信号の減衰量を小さくすることになる。これにより、伝送距離を長くすることが可能となる。
【００６０】
なお、図３に示す差動伝送線路の配線パターンをマイクロストリップ線路に適用した場合は、図７に示すように、配線部（Ｃ）におけるＧＮＤ層（２０）と、配線層（３０）と、の間に設けられる絶縁層（４０）の層厚は、配線部（Ａ）におけるＧＮＤ層（２０）と、配線層（３０）と、の間に設けられる絶縁層（４０）の層厚と同一条件で構成することになり、配線部（Ｃ）の特性インピーダンスは、配線部（Ａ）の特性インピーダンスと比較すると小さくなる。これは、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスの計算式から算出することができる。なお、図７は、図３に示す差動伝送線路の配線パターンをマイクロストリップ線路に適用した場合の断面構成例を示した図である。
【００６１】
マイクロストリップ線路は、図７に示すように、ＧＮＤ層（２０）と、絶縁層（４０）と、配線層（３０）と、を有して構成される。配線層（３０）は、複数の配線が設けられ作動信号線を構成することになる。配線層（３０）に設けられる配線の配線幅をｗ、配線の配線厚をｔ、配線と配線との配線間隔をｓ、絶縁層（４０）の絶縁層厚をｈ、絶縁層（４０）の比誘電率をεｒ、とする。
【００６２】
図７に示すマイクロストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の計算式を式（２）に示し、差動インピーダンスＺdiffの計算式を式（３）に示す。
【００６３】
Ｚ0＝６０／√（０．４５７εｒ＋０．６７）・ｌｎ｛４ｈ／０．６７（０．８ｗ＋ｔ）｝・・・式（２）
【００６４】
Ｚdiff＝２・Ｚ0・｛１−０．４８・ｅｘｐ（−０．９６・ｓ／ｈ）｝・・・式（３）
【００６５】
但し、εｒ：比誘電率、ｈ：絶縁層厚、ｗ：配線幅、ｔ：配線厚、ｓ：配線間隔を示す。
【００６６】
また、図３に示す差動伝送線路の配線パターンをストリップ線路に適用した場合は、図８に示すように、配線部（Ｃ）における第１のＧＮＤ層（２０）と、第２のＧＮＤ層（５０）と、の間に設けられる絶縁層（４０）の層厚は、配線部（Ａ）における第１のＧＮＤ層（２０）と、第２のＧＮＤ層（５０）と、の間に設けられる絶縁層（４０）の層厚と同一条件で構成することになり、配線部（Ｃ）の特性インピーダンスは、配線部（Ａ）の特性インピーダンスと比較すると小さくなる。これは、ストリップ線路の特性インピーダンスの計算式から算出することができる。なお、図８は、図３に示す差動伝送線路の配線パターンをストリップ線路に適用した場合の断面構成例を示した図である。
【００６７】
ストリップ線路は、図８に示すように、第１のＧＮＤ層（２０）と、絶縁層（４０）と、配線層（３０）と、第２のＧＮＤ層（５０）と、を有して構成される。配線層（３０）は、複数の配線が設けられ作動信号線を構成することになる。配線層（３０）に設けられる配線の配線幅をｗ、配線の配線厚をｔ、配線と配線との配線間隔をｓ、絶縁層（４０）の絶縁層厚をｂ、絶縁層（４０）の比誘電率をεｒ、とする。
【００６８】
図８に示すストリップ線路の特性インピーダンスＺ0の計算式を式（４）に示し、差動インピーダンスＺdiffの計算式を式（５）に示す。
【００６９】
Ｚ0＝６０／√（εｒ）・ｌｎ｛４ｂ／０．６７（０．８ｗ＋ｔ）｝・・・式（４）
【００７０】
Ｚdiff＝２・Ｚ0・｛１−０．３７４・ｅｘｐ（−０．２９・ｓ／ｂ）｝・・・式（５）
【００７１】
但し、εｒ：比誘電率、ｂ：絶縁層厚、ｗ：配線幅、ｔ：配線厚、ｓ：配線間隔を示す。
【００７２】
配線部（Ｂ）は、配線部（Ａ）と、配線部（Ｃ）と、を接続する領域に形成される配線パターンであり、配線部（Ａ）から配線部（Ｃ）に向かって段階的に配線幅を広くなるように設計し、尚かつ、配線と配線との配線間隔を段階的に広くするように設計することになる。
【００７３】
配線部（Ｂ）は、図３に示すように、配線と配線との配線間隔を段階的に広げるように設計した配線パターンで形成することで、特性インピーダンスの勾配を持つことになり、配線部（Ｂ）は、配線部（Ａ）と、配線部（Ｃ）と、の境界部分でそれぞれの特性インピーダンスと等しくすることが可能となる。
【００７４】
次に、図９を参照しながら、図３に示す配線部（Ａ、Ｂ、Ｃ）における電磁気的結合について説明する。なお、図９は、ディファレンシャルの特性インピーダンスＺdiffを一定（１００Ω）にし、２本の配線の結合度を変えて減衰特性をシミュレーションした測定結果である。なお、横軸は、周波数を示し、縦軸は、減衰量を示す。
【００７５】
なお、配線条件は、配線幅：ｗを一定にし、２本の配線間隔：ｓと、絶縁層の層厚：ｈまたはｂを調整し、一定の差動インピーダンス（１００Ω）に設定し、２本の配線の結合度が高いものほど、その２本の配線間隔：ｓを狭くし、絶縁層厚：ｈまたはｂを厚くしている。
【００７６】
図９に示す測定結果から明らかなように、２つの配線間の電磁気的結合が強い程（結合・強）、減衰量が大きく、２つの配線間の電磁気的結合が弱い程（結合・弱）、減衰量が小さいことが判明する。従って、減衰量を小さくするには２つの配線間の電磁気的結合を小さくすることが望ましい。
【００７７】
次に、図４、図５を参照しながら、本実施形態における差動伝送路の配線パターンについて説明する。なお、図４は、従来行われている２つの特性インピーダンスの伝送線路を接続した場合のパルス応答を示す。また、図５は、本実施形態の伝送線路をモデル化したパルス応答を示す。なお、図４、図５において、破線は送端部の波形を示し、実線は、受端部の波形を示す。
【００７８】
図４では、伝送線路が３つの部分から構成されており、特性インピーダンスはそれぞれ、Ｚ0、Ｚt、Ｚ0のように接続されている。但し、Ｚ0＞Ｚtとする。
【００７９】
図５では、Ｚ0、Ｚ1、Ｚ2、…、Ｚn、Ｚt、Ｚn、…、Ｚ2、Ｚ1の接続で、Ｚ0＞Ｚ1＞Ｚ2＞…＞Ｚn＞Ｚtとなる関係があるものとする。通常の信号伝送では受端部の波形が重要であるので、送端部はここでは無視してもかまわない。
【００８０】
一般に、特性インピーダンスＺ1の伝送線路から特性インピーダンスＺ2の伝送線路にパルスを伝播させると、その境界面で信号の反射が起こり波形劣化を生じることになる。図４の場合には、受端部では階段形状の波形となり減衰に相当する。特に、信号の立ち上がり時においては高周波成分が多いため、信号の減衰を考慮すると、パルスの振幅が更に小さくなることが予想される。これに対し、図５では、信号の立ち上がり時においては一気に最大振幅を得ることができることになる。なお、図５では、信号の立ち上がり後、反射の影響が残ることになるが、図４よりは振幅の低下を改善することが可能となる。
【００８１】
次に、図１０を参照しながら、本実施形態における伝送線路の減衰特性について説明する。なお、図１０は、ある条件の配線パターンで構成した伝送線路の減衰特性をシミュレーションした測定結果を示す図であり、図３に示す配線部（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を連結した配線パターンで構成された伝送線路と、図３に示す配線部（Ａ）の配線パターンのみで構成された伝送線路と、図３に示す配線部（Ｃ）の配線パターンのみで構成された伝送線路と、の減衰特性の測定結果を示している。なお、横軸は、周波数を示し、縦軸は、減衰量を示す。
【００８２】
図１０に示す測定結果から明らかなように、配線部（Ａ）の配線パターンのみで構成された伝送線路は、配線の配線幅が細く導体抵抗が大きいため、減衰量が最も大きくなっている。また、配線部（Ｃ）の配線パターンのみで構成された伝送線路は、配線の配線幅が広く導体抵抗が小さいが特性インピーダンスが不整合のため、減衰量がやや大きくなっている。これに対し、図３に示す配線部（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を連結した配線パターンで構成された伝送線路は、インピーダンス勾配を持つ配線部（Ｂ）により、インピーダンス不整合により生じた反射を和らげ、信号の減衰量を抑制しているため、減衰量が最も小さくなっている。
【００８３】
このように、本実施形態における伝送線路は、伝送線路設計として、コネクタ等が実装され配線領域を確保することが困難な領域（配線部Ａ）では配線幅を細く設計し、特性インピーダンスを回路に合わせて設計し、配線領域を確保することが容易な領域（配線部Ｃ）では、配線幅を太く設計し、信号の減衰量を出来るだけ小さくするように設計することになる。そして、配線領域を確保することが困難な領域（配線部Ａ）に形成した配線パターンと、配線領域を確保することが容易な領域（配線部Ｃ）に形成した配線パターンと、の間の領域（配線部Ｂ）を、インピーダンス勾配を持つ配線パターンで形成する。これにより、信号の減衰量を抑制すると同時に、インピーダンス不整合により生じた反射を吸収することが可能な伝送線路を構築することが可能となる。
【００８４】
従って、本実施形態における伝送線路は、コネクタの端子が高密度になっても配線幅を太くし、信号の減衰量を小さくすることが可能となる。なお、これは、配線を長く設計することを意味しており、製品開発において柔軟に配線を設計できることを示している。更に、配線幅を太くしても基板の厚さを抑制することが可能となるため、基板の製造に柔軟性を持たせることが可能となる。
【００８５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態における伝送線路は、特性インピーダンス勾配を保持させるために、図３に示す配線部（Ｂ）のように、配線幅を段階的に広くするように設計しているが、第２の実施形態における伝送線路は、図７に示すマイクロストリップ線路の構成の場合には、式（２）や式（３）を用いて配線部（Ｂ）の配線幅に対する特性インピーダンス勾配の最適化を図り、図８に示すストリップ線路の構成の場合には、式（４）や式（５）を用いて配線部（Ｂ）の配線幅に対する特性インピーダンス勾配の最適化を図ることを特徴とするものである。
【００８６】
このように、第２の実施形態における伝送線路は、図７に示すマイクロストリップ線路の場合には、配線の配線幅：ｗと、配線と配線との配線間隔：ｓと、配線層の層厚：ｔと、絶縁層の層厚：ｈと、絶縁層の比誘電率：εｒと、を基に、配線の特性インピーダンスの最適化を図ることになり、図８に示すストリップ線路の場合には、配線の配線幅：ｗと、配線と配線との配線間隔：ｓと、配線層の層厚：ｔと、絶縁層の層厚：ｂと、絶縁層の比誘電率：εｒと、を基に、配線の特性インピーダンスの最適化を図ることになる。これにより、更に、信号の減衰量を抑制すると同時に、インピーダンス不整合により生じた反射を吸収することが可能な伝送線路を構築することが可能となる。
【００８７】
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明にかかる伝送線路及び配線形成方法は、スイッチングやルータなどの高速伝送の通信機器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】伝送線路を用いたＩＰスイッチルータの概略構成を示す図である。
【図２】配線幅の違いによる信号の減衰量を示すグラフ図である。
【図３】本実施形態における伝送線路のプリント基板の構成例を示す図である。
【図４】従来の異種配線接続におけるインピーダンス不整合時のパルス応答を示すグラフ図である。
【図５】本実施形態の配線接続におけるインピーダンス不整合時のパルス応答を示すグラフ図である。
【図６】本実施形態における伝送線路のプリント基板の構成例を示す図である。
【図７】本実施形態における伝送線路の断面形状を示す図であり、図３に示す配線パターンをマイクロストリップ線路に適用した場合の構成を示す図である。
【図８】本実施形態における伝送線路の断面形状を示す図であり、図３に示す配線パターンをストリップ線路に適用した場合の構成を示す図である。
【図９】ディファレンシャルの特性インピーダンスＺdiffを一定（１００Ω）にし、２本の配線間の結合度を変えて減衰特性をシミュレーションした測定結果を示す図である。
【図１０】ある条件の配線パターンで構成した伝送線路の減衰特性をシミュレーションした測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１    回線カード
２    スイッチカード
３    バックプレーン
Ａ、Ａ'、Ｂ、Ｂ'、Ｃ、Ｃ'    配線部
１０    ビア
１１    クリアランス（アンチバッド）
１２    ランド
２０    ＧＮＤ層（第１のＧＮＤ層）
３０    配線層
４０    絶縁層
５０    第２のＧＮＤ層
【図１】
2006245291.tif 000003
【図２】
2006245291.tif 000004
【図３】
2006245291.tif 000005
【図４】
2006245291.tif 000006
【図５】
2006245291.tif 000007
【図６】
2006245291.tif 000008
【図７】
2006245291.tif 000009
【図８】
2006245291.tif 000010
【図９】
2006245291.tif 000011
【図１０】
2006245291.tif 000012